Front axle and steering mechanism
Generally, the function of the steering system is thought of simply as that of providing a means whereby the driver can place his vehicle as accurately as practicable where he wants it to be on the road, for selection of the course he wants to steer round corners, and so that he can avoid other road users and obstructions. It must also, however, keep the vehicle stably on course regardless of irregularities in the surface over which the vehicle is travelling.
For the achievement of these basic aims, the first requirement is that, when the vehicle is travelling very slowly, all the wheels shall roll truly, that is, without any lateral slip. In Fig. 40.1, motion of the wheel along YY is pure rolling, along XX it is wholly slip. Motion along any other axis, ZZ for example, will have both rolling and slip components.
Since for all the wheels on a vehicle to roll truly they must all move in the same direction perpendicular to their axes XX, these axes must all intersect at a common point. If the vehicle is on a straight course, this point will be at infinity, in other words the axes will be parallel. On the other hand, if the vehicle is turning a corner, this point will always be the centre about which the vehicle as a whole is turning, and the tighter the turn the closer it will be to the vehicle.
Unless both the front and rear wheels are to be steered – impracticable on grounds of complexity, except in special circumstances, such as on vehicles having more than eight wheels, in which it may be virtually inescapable – the common centre must lie somewhere along the lines of the axis produced of the fixed rear axle. As can be seen from Fig. 40.2, this means that, when the front wheels are steered, their axes must be turned through different angles so that the point O of their intersection is always on that axis produced. With a beam axle this can be done by pivoting the whole axle assembly about a vertical axis midway between its ends. However, such an arrangement is impracticable for any but very slow vehicles.
Generally, the wheels are carried on stub axles, A and B in Fig. 40.2. Except with independent suspension, these stub axles are pivoted on the ends of the axle beam C which, since it is connected by the road springs to the chassis frame, remains in effect parallel to the rear axle, as viewed in plan. With independent suspension, the principle remains the same,
even though the mechanism is different in detail. The arms D and E together with their associated stub axles form what amounts to bell-crank levers pivoted on the kingpins and are used for coupling the two wheels so that they move together when they are steered. These arms are termed the track arms and are interconnected by the track rod. The actual steering is usually effected by a connecting link, called a drag link, between the steering gear and either what is termed the steering arm on the adjacent stub axle assembly or, in some instances, part of the track rod system.
40.1 Ackerman linkage
From the illustration it can be seen that there is a difference between the angles alpha; and beta; through which the wheels on the inside and outside respectively of the curve have to be turned. In practice, this difference is obtained by setting the arms D and E at angles such that, in the straight-ahead position, shown dotted, lines drawn through the centres of the two pivots on each intersect near the centre of the rear axle. The exact position of this intersection point depends on the relationship between the wheelbase and track, and other factors.
From Fig. 40.3 can be seen how the stub axles are steered differentially by this linkage, the full lines depicting the straight-ahead and the dotted lines a steered condition. In the latter, the stub axle B has turned through an angle beta; and the end D of its track arm has moved to D′, a distance x parallel to the axle beam. Neglecting the slight angle of inclination of the track rod, it follows that the end C of the other track arm must move the same distance x parallel to the axle beam. This, however, entails movement of the arm C through a greater angle than D, because the latter is swinging across bottom dead centre, as viewed in plan, while the former is moving further from its corresponding lowest point. Although, for practical reasons, these arms may have to be curved, perhaps to clear some other part of the wheel or brake assembly, the effective arm remains that of a straight line joining the centres of the kingpin and the pivot at the opposite end.
The illustrations show the track rod behind the axle, but sometimes it is in front, again with suitably inclined arms. An advantage of placing it to the rear is the protection afforded to it by the axle beam, but it is then loaded in compression and therefore must be of stiffer construction. On the other hand, when it is in front, difficulty is generally experienced in providing clearance between its ball joints and the wheels.
With Ackerman steering, the wheels roll truly in only three positions – straight ahead, or when turned through a specifically chosen angle to the right and left. Even in the last two positions, true rolling occurs only at low speeds. At all other angles, the axes of the front wheels do not intersect on that of the rear wheels, while, at the higher speeds the slip angles of the front and rear tyres usually differ and certainly those of the tyres on the outside will always differ from those on the inside of the curve. In all instances, the slip angle on both the front and rear wheels has the effect of turning their effective axes forwards.
Linkages giving virtually perfect static steering geometry on all locks have been devised, they have been complex and in practice have not proved satisfactory because they connot take into account the variations in slip angle. The Ackerman princ
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前桥和转向机构
通常，转向系统的功能是让驾驶员可以将他的车辆尽可能精确地开到想要在道路上，以便选择想要的转向圆角路线，避开其他车辆和障碍物。但无论车辆行驶的表面是否是不规则，都必须保持车辆稳定行驶。
为了实现这些基本目标，第一个要求是当车辆行驶非常缓慢时，所有车轮必须真正滚动，没有任何横向滑动。在图40.1中，车轮沿YY的运动是纯滚动的，沿着XX完全滑动。沿着任何其他轴线（例如ZZ）的运动将具有滚动和滑动部件。
由于车辆上的所有车轮必须全部以相同方向垂直于其轴线XX运动，因此这些轴线必须全部相交于同一点。如果车辆处于直线路线上，则该点将处于无限远处，或者轴线将平行。另一方面，如果车辆正在转弯，则该点是车辆整体转向的中心，转弯越紧密越靠近车辆。
除了特殊情况下前轮和后轮要转向，例如对于八个以上车轮的车辆几乎不可避免，共同中心必须位于沿线的某处由固定后桥产生的轴线。从图40.2可以看出，当前轮转向时，它们的轴线必须转过不同的角度，这样它们的交点的O点始终位于该轴线上。对于梁轴，这可以通过使整个轴组件围绕其两端之间的中间轴垂直枢转来完成。但这对于任何车辆都是不切实际的。
一般情况下，车轮装在图40.2中的短轴A和B上。除了独立悬挂外，这些短轴在枢轴梁C的端部旋转，因为它通过路面弹簧连接到底盘框架，从平面图看，其保持平行于后轴的效果。尽管独立中止，但原理相同。
即使机制在细节上有不同。臂D和E以及它们相关的短轴形成相当于旋转在主销上的钟形曲柄杠杆，用于连接两个轮子，以便它们在转向时一起移动。这些臂被称为履带臂，并通过履带杆相互连接。实际转向通常通过转向机构与所谓的相邻短轴组件上的转向臂之间的连接连杆（称为拖曳连杆）来实现，或者在某些情况下作为部分跟踪杆系统来实现。
40.1阿克曼联动
从图示中可以看出，角度alpha;和beta;之间存在差别，通过该角度alpha;和beta;分别在曲线的内侧和外侧上的车轮必须转动。实际上，这种差异是通过将臂D和E设置在在直线位置的角度来获得的，如虚线所示，通过两个枢轴的中心画出的线各自在后桥的中心附近相交。该交点的确切位置取决于轴距和轨迹之间的关系以及其他因素。
从图40.3可以看出短轴是如何通过这种连接差速转向的，实线描绘了直线和虚线是一个转向状态。在后者中，短轴B已经转过角度beta;，其轨道臂的端部D已经移动到平行于轴梁且距离为x的D#39;。忽视履带杆的微小倾斜角度，可以得出另一履带臂的端部C必须平行于轴梁，移动相同的距离x。然而，这需要臂C通过比D更大的角度移动，因为后者在平面图中看是摆动穿过下死点，而前者正从其相应的最低点进一步移动。尽管出于实际原因，这些臂可能必须是弯曲的，也许是为了清除轮或制动器组件的一些其他部分的影响，但有效臂保持连接主销和相对端处的枢轴的中心的直线。
插图显示了车轴后面的履带杆，但有时它位于前方，并带有适当倾斜的臂。将其放置在后部的一个优点是可以由车桥横梁提供保护，但是它随后被加载压缩，因此必须具有更坚固的结构。另一方面，当它在前面时，通常难以在其球接头和车轮之间提供间隙。
通过阿克曼转向，车轮只能在三个位置滚动——直行，或通过特定角度转向左右。即使在最后两个位置，真正的滚动只发生在低速。在所有其他角度上，前轮的轴线不与后轮的轴线相交，而在较高速度时，前轮胎和后轮胎的滑动角度通常是不同的，并且外轮胎的滑动角度和来自曲线内部的那些总是不同的，无论在哪种情况下，前轮和后轮上的滑移角都具有把它们的有效轴向前移动的效果。
已经设计出在所有锁上提供几乎完美的静态转向几何形状的连杆机构，它们已经很复杂并且并不令人满意，它们没有考虑滑移角的变化。阿克曼原理基于最佳的可行折中方案——通常假定所有四个车轮的滑移角相等——在实践中令人满意，可能是因为轮胎的弯曲适应了这些错误。
40.2多轮车
对于六轮车来说，由于两个后桥始终保持平行，所以无法获得完美的转向几何形状。因此，假设车辆在两个后车轴的中间和平行于两个后车轴的中间轴线上转动，并且在此基础上布置用于前轴的转向连杆机构。当然，在两个后桥上都会有一些轮胎擦洗，但这是由这些轮胎的横向柔韧性所调节的。即使如此，在法律要求和轮胎尺寸的限制下，两个后桥总是尽可能地靠近在一起，以在完全负载的情况下支撑车辆的后端。
在八轮车上，所有四个前轮必须转向。类似的要求出现在某些特殊用途的六轮车辆上，这些车辆在前部具有优势的重量，因此在后部可能只有一个车轴。这两种情况如图40.4所示。在六轮车上，每个前桥都有一个阿克曼联动装置，即为轴距W2设计的前轴和轴距为W1的第二轴。对于八轮车辆，两个轮轴将延伸到两个后轴之间的中间位置。所有四个前轮必须通过不同的角度alpha;，beta;，gamma;和delta;转向。这些差异部分由Ackerman联动部门处理，第一轴和第二轴之间也有几种方式。一个在图40.4的废料视图中有说明。在此，分别在最前轴和第二轴上的两个转向臂V和U通过连杆相互连接。在第一轴上的臂U比在第二轴上的V略高，在它们的主销轴和将它们连接到连杆上的销之间测量时，主轴通过更大的角度被操纵。这两个臂中的一个通常通过转向箱上的下降臂的拖拉杆来启动。有关拖动链接布局的注释在第42.12节中给出。
图40.5给出了一种更常见的连接两个转向轴的方法。使用两个放置臂OB和PD，每个轴一个，前者与转向箱的主轴花键连接，后者在底盘框架上的支架上枢轴转动。手臂PD由链接E将其端部D连接到OB上的A来启动。从B和C到第一和第二车轴上的转向臂分别进行连接。由于PC比OB短，而且OA比PD短，因此第二根轴总是以比前一根以更小的角度移动。
40.3独立悬挂的转向连杆
已经描述的阿克曼连杆机构偶尔使用独立悬架，尤其是滑动式或支柱式。图40.6给出了一个适用于单头或双头或尾随连杆式悬架的系统。它的阿克曼联动装置包括两个钟形曲柄AX和BY，它们由履带杆C相互连接并且枢转在车辆结构上的支架上。两个拉杆G和H将钟形曲柄的末端连接到短轴上的转向臂E和F.
球头必须在E，F，X和Y处使用。当车轮直线前进时，中心X和Y必须位于随着悬架偏转短轴组件摆动的轴线上。然后悬架运动将不会有任何转向效果。
对于单或双横向连杆悬挂系统，需要分开的履带杆，其每个部分的内端位于随着悬架升降而相邻短轴组件摆动的轴线上。这种系统如图40.7所示，其中A和B是短轴组件，OEG是三角形连杆，或者是一个在车辆结构或车架上以O形枢轴旋转的锐角曲柄杠杆。链接EF和GH是分开的履带杆的两部分。
显然，链接OE，EF，FA构成了越位车轮的Ackerman系统，而OG，GH，HB形成了近侧车轮的类似系统。在三角形连杆上点缀的手臂通过一根杆连接到转向器下降臂，该臂在水平面内摆动。显然，如果三角形杆不能如图所示地被容纳，则其枢轴O可以移动到轨道杆的另一侧，并且两个轨道杆不一定必须排成一列。在使用齿轮齿条式转向机构的情况下，三角形连杆可以省略，接头E和G可以位于机架的端部，如图40.8所示，或者单独连接至机架的一端。
40.4中心点转向
在图40.9中可以注意到，转向时短轴（带轮子）转动的轴线与点O处的地面相交，而轮胎与道路的中心接触面积为P。现在，当汽车沿着道路行驶时，前方轮胎与道路之间的接触平面中的力以与运动方向相反的方向作用。在一个好的道路上，这个力量可能很小，但是在一个糟糕的道路上，当前轮被制动时，这个可能力很大。该力垂直于OP（在平面中）作用，因此围绕轴线XX有一个力矩，该力矩倾向于使短轴绕其枢销转动。当然，这种趋势是被抵制的。现在，另一侧的短轴倾向于朝相反的方向转动，并且由于两个短轴通过履带杆连接在一起，所以两个旋转倾向如果相等，则相互抵消，并且唯一的结果将成为履带臂和履带杆上的压力。但是，如果这两种趋势不相同，则它们之间的差异必须通过转向机构或驾驶员的摩擦抵制。
为了将倾向于使短轴转向的力的时刻减至最小，使得点O比图中推断的P更接近P，
并且在某些情况下这两点可能重合; 或者，O点甚至可能在P的外侧。当O和P重合时，几何形状被认为具有零磨削或成为中心点转向布局;如果O在P的内侧，则据说具有正向擦洗半径;而如果外侧有负摩擦半径。而且，半径不是OP，而是从P垂直于旋转销的轴线测量的距离。
有三种方法可以改变O和P的相对位置，如下所示
（1）保持旋转销轴线垂直，车轮可以倾斜，以使点P更接近点O.
（2）轮子和旋转销都可以倾斜。
（3）该布置可以使得旋转销的轴线的部分或全部靠近轮胎的中心平面或甚至与轮胎的中心平面重合，例如通过使轮盘凹陷以使轮辋进一步向内。
积极磨砂很少使用。零刷洗适用于某些情况下，以减轻转向控制装置的负荷，特别适用于使用超大截面轮胎的情况，例如专用跨国车辆。由于第40.25节中列出的原因，带趾进行负面磨砂，是最受欢迎的磨砂膏。
使用倾斜的旋转销轴时，应注意两点。首先，轨道臂和轨道杆之间的连接必须是球形和球形的，从图40.9可以看出，当短轴绕这些倾斜轴旋转时，轨道臂的端部不仅可以旋转围绕着它们，其中一个也向上摆动，另一个向下摆动，当然一个简单的衬套轴承不能适应所有这些运动。其次，除了中心点转向之外，将车轮从其直线前进的任何一个方向转向车辆前端稍微抬起。 这是因为点P在与旋转销的轴线垂直的平面PQ内以圆形旋转。 因此，由于车辆的重量始终趋于使其下沉至最低位置，因此其对转向具有自定心作用，倾向于使其回到直行位置。
40.5铸件或尾随动作
为了转向目的，车轮转动所围绕的摆动轴线通常在前后方向上倾斜几度，以便其与地面的交点（图40.10中的B）稍微位于接触点的前方A的轮胎与地面，因为这种接触是在一个小区域上，在这个接触面的中心前方。两点之间的距离x称为轨迹。
寻求的目标是在运行条件下稳定车轮，使得车轮倾向于保持其平面平行于运动方向。图40.10显示了车轮与运动方向成一个小角度，并且作用在路面上的力R与运动方向平行，有一个绕B点的力矩（即约旋转轴线），倾向于将轮子带回到运动平面中，就像椅子腿上的脚轮一样;因此出现了“小脚轮运动”这个术语。然而，如果力在相反的方向上作用，则轨迹将是不利的，因为它倾向于使车轮转过180°。
由于在前轮驱动汽车中，驱动力处于前进方向，所以在这样的汽车中，所提供的轨迹应该是负面的，并且有时是这种情况。 然而在驾驶和制动条件的要求之间必须做出妥协。
在实践中，轮式车辆的转向并不像这些考虑所暗示的那么简单，因为通过实验已经发现，沿着道路滚动的车轮不能承受任何侧向力，除非其被保持在其平面上 与运动方向形成一个角度。 因此，在图40.11中，如果要求车轮在方向XX上行驶，同时施加侧向力P，则必须将车轮保持在其平面上，如图所示，其角度为XX（称为滑移角）。 已经发现可以维持的侧向力与滑动角的大小成比例，后者的值大约为6°。已经将比率侧力持续/滑移角度视为轮胎的转弯能力的量度并且被称为转弯力量。
40.6转弯力量
轮胎的转弯能力取决于许多因素，例如轮胎本身的构造，轮胎和道路之间的垂直力的值（下文中称为轮胎负载），膨胀率压力，轮胎尺寸以及车轮倾斜的程度。因此，轮胎的转弯力量随着轮胎上的载荷偏离轮胎的正常载荷而下降，但是如果载荷的变化不超过正负荷的约50％，则该下降的程度较小正常负载。转弯功率随着充气压力的增加而增加，但对于大型轮胎而言，转弯功率小于相同类型结构的小型轮胎。就外倾角而言，随着图40.11中车轮的顶部沿力P的方向移动（这称为正弧度）并随着负外倾角的增加而下降。发现转弯能力与速度无关。
40.7制动和转向时限制道路抓地力
正如应用刹车一样，轮胎开始滑动的极限是有限制的，当汽车转弯时，轮胎在离心力的影响下也会超过该极限，另请参见第39.8节和图39.40。 胎面的性质和其他影响，如轮胎压力，车轮上的垂直负荷，外倾角和脚轮角度会影响滑动开始时的极限力。 作为一个近似值，人们可以假设这个力可以用一个恒定长度的矢量来表示，如果应用了制动并且车辆同时转向，则这个矢量绕着轮胎和道路之间的接触面的中心摆动几度。
摆动角度由制动力和转向力的相对值决定。换言之，用于制动的道路上可用的最大力或用于该事件的最大力可以从用于转向的增加逐渐地从最大变化到零。因此，随着接近极限的接近，如果后轮适当转向，则轮胎相对于合力的角度在转向的稳定性方面比只有前轮转向时更有利。
40.8自正位扭矩
当一个车轮如图40.11所示沿着XX线行驶时，在它和路面之间将会有一个扭矩T，它将倾向于转动车轮，使它的平面与运动方向平行，并且为了保持如图所示的车轮如同样相反的扭矩行驶，必须施加到承载车轮的轴上。扭矩T可以称为自正向扭矩，并且已经发现其与车轮上的载荷成正比地增加，并且对于具有正弯度的车轮比对于垂直车轮而言更大。
40.9转向特性 - 转向过度和转向不足
上述行为的结果是，当车辆在圆形路径中移动时，该路径的中心不与车轮轴线的交点重合。 如图40.12所示，其中O是轮轴的交点，O1是实际的旋转中心。车轮（A1，A2，A3和A4）的滑移角一般都会有不同的大小。
如果一个侧向力P作用在沿着图40.13的直线XX行驶的汽车上，则该力必须通过作用在道路和车轮之间的侧向力来平衡，并且必须将轮子设置在适当的滑动角度。如果所有车轮的滑移角都相等，那么汽车将继续沿直线移动，但是以该滑移角向原始路径倾斜，但是如果车轮的滑移角不相等，则车一般会移动到一些曲线。例如，如果后轮的滑动角度比前轮的滑动角度稍大，那么汽车将开始绕着一些中心O移动，如图所示。这会引起离心力，实际上会增加侧向力P的大小并且因此会加重该作用。汽车会倾向于以YY这样的曲线运动，转向侧向力P.这种行为称为转向过度，随着速度的增加而趋于增加，因为离心力随着速度的平方而增加，同时车轮和道路之间的侧向力不会随着速度而增加，而仅仅是由于滑移角度的增加而导致的。在转弯时具有这种转向
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